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至地球物理勘查仪器设备研制现状及其发展研究

发布时间:2021-10-07

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地球物理勘探技术是我国环境保护、资源开发、工程建造等方面主要采取的技术手段,随着国家市场经济的飞速发展,其影响也日趋广泛,为现代社会建设、国民经济发展做出了巨大贡献。

至地球物理勘查仪器设备研制现状及其发展研究

地球物理勘探是通过地球物理仪器,丈量地球的物理场(如重力场、电场和磁场等)及其在时间和空间上的变化规律,进而推测地球内部的成份、结构和变化情况,从而到最少定性的角度上说是精确的达认识地球、造福人类的目的。

地区物理勘探也是是利用地壳中岩(矿)石物理性质的差异来研究地质构造或探测地下矿产的1门科学。用于获得地壳中岩(矿)石物理参数的测试仪器统称为地球物理仪器(同样成为物探仪器), 它综合应用物理学、电子学、材料科学、系统科学、计算机技术等多门学科的相应理论、方法和技术来探测地球的各种物理信息, 是地球物理勘探直接获得信息的主要手段与工具。地球物理仪器广泛利用于地质、石油、冶金、煤炭、交通、铁路、水电、建筑工程等领域,是认识地球、能源和资源勘探、工程质量检测、环境检测和地质灾害监测预测的重要手段,在军事上也有重要作用。

地球物理勘探方法简介

1.重力勘探

重力勘探是利用组成地壳的各种岩体、矿体间的密度差异所引发的地表的重力加速度值的变化而进行地质勘探的1种方法。它是以牛顿万有引力定律为基础的。只要勘探地质体与其周围岩体有1定的密度差异,就能够用精密的重力丈量仪器(主要为重力仪和扭秤)找出重力异常。然后,结合工作地区的地质和其他物探资料,对重力异常进行定性解释和定量解释,即可以推断覆盖层以下密度不同的矿体与岩层埋藏情况,进而找出隐伏矿体存在的位置和地质构造情况。

2.磁法勘探

自然界的岩石和矿石具有不同磁性,可以产生各不相同的磁场,它使地球磁场在局部地区产生变化,出现地磁异常。利用仪器发现和研究这些磁异常,进而寻觅磁性矿体和研究地质构造的方法称为磁法勘探。磁法勘探是经常使用的地球物理勘探方法之1。它包括地面、航空、海洋磁法勘探及井中磁测等。磁法勘探主要用来寻觅和勘探有关矿产(如铁矿、铅锌矿、铜锦矿等);进行地质填图;研究与油气有关的地质构造及大地构造等问题。我国建国以来大多数铁矿区、多金属矿区及油气田等都进行了大量的磁法勘探工作,获得了良好的地质效果。磁法勘探也是基本地球物理手段,国家已纳入在全国范围内进行系统丈量的计划,并已基本覆盖了全国重要地区。

3.电法勘探

电法勘探是根据岩石和矿石电学性质(如导电性、电化学活动性、电磁感应特性和介电性,即所谓电性差异)来找矿和研究地质构造的1种地球物理勘探方法。它是通过仪器观测人工的、天然的电场或交变电磁场,分析、解释这些场的特点和规律到达找矿勘探的目的。电法勘探分为两大类。研究直流电场的,统称为直流电法,包括有电阻率法、充电法、自然电场法和直流激起极化法等;研究交变电磁场的,统称为交换电法,包括有交换激起极化法、电磁法、大地电磁场法、无线电波透视法和微波法等。按工作场所的差别,电法勘探又分为地面电法、坑道和井中电法、航空电法、海洋电法等。

4.地震勘探

地震勘探是近代发展变化快的地球物理方法之1。它的原理是利用人工激起的地震波在弹性不同的地层内传播规律来勘探地下的地质情况。在地面某处激起的地震波向地下传播时,遇到不同弹性的地层分界面就会产生反射波或折射波返回地面,用专门的仪器可记录这些波,分析所得记录的特点,如波的传播时间、振动形状等,通过专门的计算或仪器处理,能较准确地测定这些界面的深度和形态,判断地层的岩性,是勘探含油气构造乃至直接找油的主要物探方法,也能够用于勘探煤田、盐岩矿床、个别的层状金属矿床和解决水文地质工程地质等问题。最近几年来,利用天然震源的各种地震勘探方法也不断得到发展。

地球物理仪器的分类

地球物理仪器的种类繁多,目前尚没有1种统1的分类方法,通常可以按利用领域来划分,如航空物探仪器、地面物探仪器、测井物探仪器和海洋物探仪器;按仪器原理划分主要有电法勘探仪器、磁法勘探仪器、重力勘探仪器、地震勘探仪器和放射性勘探仪器等;按探测对象可划分为地下管线探测仪器、金属探测仪器、石油探测仪器等。目前经常使用的习惯分类方法如附表1所示。

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地球物理仪器研制

中国科学院电磁辐射与探测技术重点实验室在国家重大科研设备研制项目、863计划和中科院创新2020重点项目等的支持下,展开了电法和磁法地球物理仪器的研究工作,突破了高稳定度、大功率发射技术,和低噪声、大动态范围、高精度采样等关键技术,获得了1系列创新成果,主要包括:感应式磁场传感器、航空瞬变电磁勘探仪(ATEM)、多通道大功率瞬变电磁勘探仪(M-TEM)、大地电磁仪(MT)、瞬变电磁仪(TEM)等,部份产品已取得市场推行利用。

1.感应式磁场传感器

实验室研制出了用于大地电磁测深(MT)、音频大地电磁测深(AMT)、音频可控源大地电磁测深(CSAMT)、时间域电磁方法(TEM)等地球物理电磁方法的系列感应式磁场传感器,并实现批量化生产,灵敏度可达0.1pT/ Hz(1Hz),到达国际先进水平。其中用于MT方法的感应式磁场传感器性能优于国外同类产品,其噪声水平仅为国外产品MTC⑻0型磁探头的50。

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目前,已有近千支CAS⑸0型感应式磁场传感器在中石油得到利用,用于海外油气区块的勘探作业,首次实现国产高灵敏度磁传感器走出国门,对我国油气资源勘探设备走出去具有重要意义。另外,还有百余支CAS⑴0M型感应式磁场传感器用于我国863计划深海油气勘探电磁仪器研制项目,首次实现国产高灵敏度磁传感器全面替换最近的建筑研究机构(BRE)全球认证证明了这1点进口产品获得海底磁场数据,对我国海洋油气资源开发和水下目标探测具有重要意义。

批量化生产的磁场传感器经过3年多的工程利用表明:CAS系列感应式磁场传感器性能优越、指标先进、数据可靠,整体技术水平到达了国内、国际先进水平,极大地推动了我国地球物理电磁勘探仪器的国产化进程。

另外,为了实现感应式磁场传感器的测试与标定,实验室在河北怀来建立了感应式磁场传感器参数测试和标定平台,改变了我国长时间缺少感应式磁场传感器测试标定平台的局面,并被中国地震局指定为地震预兆电磁扰动仪入网仪器的计量单位。

⑴高均匀度交变磁场产生装置,性能参数处于国内,到达国际先进水平。可产生高均匀度的标准磁场,频率范围:0.01Hz~100kHz,均匀场空间:均匀度 0.1,直径 10cm长度 2.5m(轴向中心处)。

⑵电磁屏蔽室装置,用于屏蔽地磁场,在其内部构成1个近似无磁场的环境,用于丈量磁场传感器的噪声水平,内部剩余磁场 4fT/ Hz(1Hz),该指标处于国内水平。

⑶ 3轴正交亥姆赫兹线圈装置用于产生X、Y、Z3个方向上高均匀度的标准磁场,在该已知磁场的作用下,可丈量3轴磁场传感器轴间串扰、轴间正交性误差等参数,技术指标处于国内,到达国际先进水平。

2.航空瞬变电磁勘探仪

在国家重大科研设备项目航空瞬变电磁仪(Airborne Transient Electromagnetic,ATEM)项目经费支持下,实验室展开了基于低空飞行平台并兼具全航空(大型飞艇搭载平台,如图4)及半航空(无人机,如图3)工作模态的航空瞬变电磁勘探仪器的研究,可满足我国成矿环境的多样性及作业任务的复杂性需求。

2016年10月,斟酌到多生物基体材料技术研究进展;样化航空电磁探测系统的需求,在ATEM项目经费支持下,完成了我国套具有自主知识产权的基于直升机平台的全航空瞬变电磁勘探系统(如图5所示),该系统发射线圈直径已到达了28米。2016年10月在内蒙古西乌旗和兴安盟进行了实际矿区的测试飞行,并为武警黄金部队进行了多个区块的航空勘探技术服务。其中,与国外某航电装备第13测线剖面对照效果图如图5所示,反演结果与钻孔资料对照效果图如图5所示,探测深度到达600米以上。

目前,已完成了航空瞬变电磁全航空模态、半航空模态和直升机平台的实用化样机研制,并成功进行了全航空勘探模态和半航空勘探模态的飞行验证实验,弥补了国内技术空白,到达国外同类设备产品的先进水平。

编辑点评

随着地球物理勘探技术的广泛利用,和地质条件的日趋复杂,地球物理勘探技术的发展与利用面临着诸多问题,对新理论、新技术、新材料的应用,使得地球物理勘探技术利用领域和勘探范围得以拓展。如何结合新技术、新方法、新材料,让地球物理勘探技术向多功能、智能化、数字化的方向发展,这才是解决人类社会活动中更多领域中问题的关键。